Suure Paugu varjud toovad esile nähtamatud kosmilised struktuurid

Peaaegu 400,000 XNUMX aastat pärast Suurt Pauku jahtus väikelaste universumi ürgplasma piisavalt, et esimesed aatomid ühinesid, tehes ruumi sisseehitatud kiirguse hõljumiseks. See valgus – kosmiline mikrolaine taust (CMB) – jätkab taeva voogumist kõikides suundades, edastades pilti varajasest universumist, mis on kogutud spetsiaalsete teleskoopide abil ja isegi vanade katoodkiirtelerite staatiliselt nähtav.

Pärast seda, kui teadlased avastasid 1965. aastal CMB kiirguse, kaardistasid nad hoolikalt selle väikesed temperatuurikõikumised, mis näitasid kosmose täpne olek kui see oli pelgalt vahutav plasma. Nüüd kasutavad nad CMB andmeid ümber, et kataloogida suuremahulised struktuurid, mis arenesid miljardite aastate jooksul universumi küpsedes.

"See valgus koges suuremat osa universumi ajaloost ja nähes, kuidas see on muutunud, saame õppida erinevate ajastute kohta," ütles Kimmy Wu, SLAC National Accelerator Laboratory kosmoloog.

Peaaegu 14 miljardit aastat kestnud teekonna jooksul on CMB valgust venitanud, pigistanud ja väänanud kogu oma teel olev aine. Kosmoloogid hakkavad CMB valguse esmastest kõikumistest kaugemale vaatama galaktikate ja muude kosmiliste struktuuridega vastastikmõjudest jäetud sekundaarseid jäljendeid. Nende signaalide põhjal saavad nad teravama ülevaate nii tavalise aine - kõigest, mis koosneb aatomiosadest - ja salapärasest tumeaine jaotusest. Need teadmised aitavad omakorda lahendada mõningaid kauaaegseid kosmoloogilisi saladusi ja püstitada uusi.

"Me mõistame, et CMB ei räägi meile ainult universumi algtingimustest. See räägib meile ka galaktikate endi kohta, ”ütles Emmanuel Schaan, samuti SLACi kosmoloog. "Ja see osutub tõesti võimsaks."

Varjude universum

Tavalised optilised uuringud, mis jälgivad tähtede kiirgavat valgust, jätavad tähelepanuta enamiku galaktikate alusmassist. Selle põhjuseks on asjaolu, et valdav osa universumi aine kogusisaldusest on teleskoopidele nähtamatu – kas tumeaine tükkidena või galaktikaid ühendava hajusa ioniseeritud gaasina. Kuid nii tumeaine kui ka laialivalguv gaas jätavad sissetuleva CMB valguse suurendusele ja värvile tuvastatavad jäljed.

"Universum on tõesti varjuteater, kus galaktikad on peategelased ja CMB on taustvalgus," ütles Schaan.

Paljud varimängijad tunnevad nüüd kergendust.

Kui CMB-st pärinevad valgusosakesed ehk footonid hajutavad galaktikate vahel gaasis olevad elektronid, põrkuvad need kõrgemale energiale. Lisaks, kui need galaktikad liiguvad laieneva universumi suhtes, saavad CMB footonid teise energianihke, olenevalt klastri suhtelisest liikumisest kas üles või alla.

See efektide paar, mida tuntakse vastavalt termilise ja kinemaatilise Sunyaev-Zel'dovitši (SZ) efektina, olid esmalt teoretiseeriti 1960. aastate lõpus ja viimase kümnendi jooksul on neid tuvastatud järjest suurema täpsusega. Üheskoos jätavad SZ-efektid iseloomuliku allkirja, mille saab CMB-piltidelt välja visata, võimaldades teadlastel kaardistada kogu universumi tavalise aine asukohta ja temperatuuri.

Kolmas efekt, mida tuntakse nõrga gravitatsiooniläätsena, moonutab massiivsete objektide läheduses liikuva CMB valguse teed, moonutades CMB-d nii, nagu seda vaadataks läbi veiniklaasi põhja. Erinevalt SZ-efektidest on läätsed tundlik kogu aine suhtes - pimedale või muule.

Kokkuvõttes võimaldavad need mõjud kosmoloogidel eraldada tavalist ainet tumeainest. Seejärel saavad teadlased need kaardid katta galaktikauuringute piltidega, et mõõta kosmilisi vahemaid ja isegi tähtede moodustumise jälgi.

In seltsiline dokumendid aastal 2021 meeskond eesotsas Schaani ja Stefania Amodeo, kes on praegu Prantsusmaal Strasbourgi astronoomiaobservatooriumis, pani selle lähenemisviisi tööle. Nad uurisid Euroopa Kosmoseagentuuri kogutud CMB andmeid Plancki satelliit ja maapealne Atacama kosmoloogia teleskoop, seejärel virnastati nende kaartide peale täiendav optiline uuring peaaegu 500,000 XNUMX galaktika kohta. Tehnika võimaldas neil mõõta tavaaine ja tumeaine joondamist.

Analüüs näitas, et piirkonna gaas ei kallistanud oma tumeaine võrgustikku nii tihedalt, kui paljud mudelid ennustasid. Selle asemel viitab see sellele, et supernoovade plahvatused ja lisanduvad ülimassiivsed mustad augud sundisid gaasi tumeaine sõlmedest eemale, levitades seda nii, et see oli tavaliste teleskoopide tuvastamiseks liiga õhuke ja külm.

Selle hajutava gaasi märkamine CMB varjudes on aidanud teadlastel edasi tegeleda nn puuduvate barüonide probleem. Samuti on see andnud hinnanguid hajuvate plahvatuste tugevuse ja temperatuuri kohta - andmed, mida teadlased kasutavad nüüd galaktikate evolutsiooni mudelite ja universumi suuremahulise struktuuri täpsustamiseks.

Viimastel aastatel on kosmoloogid hämmeldunud tõsiasjast, et vaadeldud aine jaotus kaasaegses universumis on sujuvam, kui teooria ennustab. Kui galaktikatevahelist gaasi taaskasutavad plahvatused on energilisemad, kui teadlased eeldasid, nagu Schaani, Amodeo ja hiljutised tööd teised näib viitavat, et need plahvatused võivad osaliselt olla vastutavad aine ühtlasema levitamise eest universumis, ütles Colin Hill, Columbia ülikooli kosmoloog, kes tegeleb ka CMB allkirjadega. Järgmistel kuudel kavatsevad Hill ja kolleegid Atacama kosmoloogiateleskoobist avalikustada värskendatud CMB varjude kaardi, millel on märkimisväärne hüpe nii taeva katvuses kui ka tundlikkuses.

"Oleme alles hakanud uurima, mida saate selle kaardiga teha," ütles Hill. "See on sensatsiooniline edasiminek kõige varasemaga võrreldes. Raske uskuda, et see on tõsi.»

Tundmatu varjundid

CMB oli peamine tõendusmaterjal, mis aitas luua kosmoloogia standardmudeli - keskse raamistiku, mida teadlased kasutavad universumi päritolu, koostise ja kuju mõistmiseks. Kuid CMB taustvalgustuse uuringud ähvardavad nüüd sellesse loosse augud torkida.

"See paradigma elas täppismõõtmiste testi tõesti üle - kuni viimase ajani," ütles Eiichiro Komatsu, Max Plancki astrofüüsika instituudi kosmoloog, kes töötas Wilkinsoni mikrolaine anisotroopiasondi liikmena, mis kaardistas CMB aastatel 2001–2010. „Võime olla universumi uue mudeli ristteel … .”

Viimased kaks aastat on Komatsu ja kolleegid uurinud vihjeid uuele tegelasele varjuteatri laval. Signaal ilmneb CMB valguslainete polarisatsioonis või orientatsioonis, mis kosmoloogia standardmudeli järgi peaks jääma konstantseks lainete teekonnal läbi universumi. Aga teoretiseerinud kolm aastakümmet tagasi tegid Sean Carroll ja tema kolleegid, et polarisatsiooni saaks pöörata tumeaine, tumeenergia või mõne täiesti uue osakese välja abil. Selline väli põhjustaks erineva polarisatsiooniga footonite liikumist erinevatel kiirustel ja pööraks valguse netopolarisatsiooni – seda omadust nimetatakse "kaksimurdamiseks", mida jagavad teatud kristallid, näiteks need, mis võimaldavad LCD-ekraane. 2020. aastal Komatsu meeskond teatatud leiust väike pööre CMB polarisatsioonis - umbes 0.35 kraadi. Järeluuring avaldatud eelmisel aastal tugevdas seda varasemat tulemust.

Kui polarisatsiooniuuring või teine ​​tulemus galaktikate jaotumisega seotud seos on kinnitust leidnud, tähendaks see, et universum ei paista kõikidele vaatlejatele igas suunas ühesugune. Hilli ja paljude teiste jaoks on mõlemad tulemused ahvatlevad, kuid mitte veel lõplikud. Nende vihjete uurimiseks ja võimalike segavate mõjude välistamiseks on käimas järeluuringud. Mõned on isegi teinud ettepaneku pühenduda "taustvalgustusega astronoomia" kosmoseaparaat mis uuriks täiendavalt erinevaid varje.

"Viis kuni kümme aastat tagasi arvasid inimesed, et kosmoloogia on tehtud," ütles Komatsu. "See on nüüd muutumas. Me astume uude ajastusse."